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Aug 08, 2023

Monophasé versus biphasé

Avec l'augmentation continue de la puissance thermique de conception (TDP) des puces, les méthodes traditionnelles de refroidissement par air ont du mal à répondre aux exigences de refroidissement des centres de données hyperscale modernes. Par conséquent,

Avec l'augmentation continue de la puissance thermique de conception (TDP) des puces, les méthodes traditionnelles de refroidissement par air ont du mal à répondre aux exigences de refroidissement des centres de données hyperscale modernes.

En conséquence, le refroidissement liquide est apparu comme une solution prometteuse en raison de la capacité thermique spécifique élevée des liquides.

Le refroidissement liquide peut être classé en deux types principaux : le refroidissement liquide monophasé et le refroidissement liquide biphasé. La différence entre ces deux éléments réside dans le fait qu'un changement de phase se produise pendant le processus de refroidissement.

Le refroidissement diphasique, tout en offrant une capacité de refroidissement plus élevée, présente également plusieurs défis, tels que des coûts plus élevés et des problèmes réglementaires.

Les liquides de refroidissement biphasés sont couramment utilisés à la fois dans le refroidissement par immersion, où l'ensemble du composant électronique est immergé dans le liquide de refroidissement, et dans le refroidissement direct de la puce, où le liquide de refroidissement est mis en contact direct avec la puce.

Dans le refroidissement par plaque froide monophasée, un liquide de refroidissement tel que de l'eau glycolée est utilisé, qui circule à l'intérieur de la plaque froide par des unités de distribution de liquide de refroidissement (CDU).

Le liquide de refroidissement absorbe la chaleur par convection lorsqu'il passe sur les sources de chaleur (par exemple, les GPU). D'autre part, les plaques froides ou évaporateurs biphasés utilisent des réfrigérants diélectriques à faibles températures d'ébullition. Dans le refroidissement à deux phases, l'absorption de chaleur se produit principalement par la chaleur latente lors du changement de phase du réfrigérant.

Contrairement au refroidissement monophasé, les plaques froides biphasées ne dépendent pas de pompes ni de CDU pour la circulation, mais utilisent plutôt une autorégulation à température contrôlée, ce qui facilite la maintenance en raison de l'absence de composants mobiles.

De plus, la plupart des liquides de refroidissement biphasés sont non corrosifs, ce qui permet une plus large gamme de matériaux pour le collecteur de rack et le boîtier de la plaque froide et réduit les besoins de maintenance.

Cependant, il est important de noter que certains réfrigérants diphasiques contiennent des composants organiques fluorés, ce qui soulève des inquiétudes quant à leur potentiel de réchauffement climatique et leur impact environnemental.

L’arrêt de la fabrication de certaines substances polyfluoroalkyles (PFAS) par des entreprises comme 3M d’ici fin 2025 aura des implications à la fois sur les plaques froides biphasées et sur le refroidissement par immersion biphasique.

Dans le cas des plaques froides monophasées, la perte de charge est un paramètre critique. Le CDU pompe le liquide de refroidissement à travers des collecteurs et des raccords rapides, et une chute de pression inégale peut entraîner des débits variables entre les différentes plaques froides, entraînant un refroidissement inégal.

Alors que le débit peut théoriquement être contrôlé manuellement pour atteindre une capacité de refroidissement infinie, en pratique, le liquide de refroidissement est généralement pompé à une température proche de son point d'ébullition, ce qui nécessite l'utilisation d'environ 20 % de la vitesse de pompage maximale pour éviter la cavitation.

Cela impose des obstacles pratiques à l'adoption, car pour atteindre des capacités de refroidissement élevées, il faudrait un volume d'eau important, par exemple 2,5 litres par minute pour une plaque froide d'une capacité de refroidissement de 1 000 W.

Plus de détails sur les plaques froides monophasées et biphasées, ainsi que les considérations matérielles pour les CDU et les collecteurs, peuvent être trouvés dans le dernier rapport de recherche d'IDTechEx sur la gestion thermique des centres de données 2023-2043.

Le refroidissement par immersion est connu pour son efficacité de refroidissement élevée, offrant une faible efficacité d'utilisation partielle de l'énergie (pPUE) de 1,01, ce qui est la plus faible parmi toutes les approches de refroidissement des centres de données.

Cependant, en raison de la réglementation sur les PFAS et des préoccupations environnementales, il existe une tendance à passer au refroidissement par immersion monophasé et à utiliser des liquides de refroidissement sans PFAS et à faible teneur en fluor.

Ces transitions, bien que prometteuses, s’accompagnent de coûts élevés et de complexités opérationnelles. De plus, assurer la compatibilité entre le liquide de refroidissement et les serveurs reste un défi permanent.

Néanmoins, des collaborations notables ont eu lieu entre les fournisseurs de systèmes de refroidissement par immersion et les fournisseurs de serveurs. De grandes entreprises ont lancé des projets pilotes, indiquant un intérêt et des investissements croissants pour la technologie de refroidissement par immersion.